[發明專利]一種氧化鋁薄膜及制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201210278314.9
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102787309A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 邱勇;趙云龍;段煉;張云閣
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京維信諾科技有限公司;昆山維信諾顯示技術有限公司
• 主分類號: C23C20/08
• 分類號: C23C20/08;H01L21/28;H01L29/786
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 彭秀麗

技術領域

本發明涉及薄膜晶體管領域，尤其涉及一種作為薄膜晶體管柵介質的氧化鋁薄膜的制備方法，還涉及該制備方法制備的氧化鋁薄膜，以及應用該氧化鋁薄膜的薄膜晶體管。

背景技術

通常把半導體導電能力隨電場變化的現象稱作“場效應”。薄膜晶體管（TFT）是在絕緣襯底上沉積薄膜型的半導體替代通常使用的單晶體相半導體而制作的一種場效應晶體管。薄膜晶體管不使用單晶襯底，可大面積制備，因而在平板顯示等大面積電子器件領域得到了廣泛的應用。圖1為常見薄膜晶體管器件結構原理圖。

隨著集成電路中晶體管特征尺寸的迅速減小，目前薄膜晶體管柵介質的厚度已經減小到了納米量級。使用高k（介電常數）材料替代最常用的SiO₂是目前最有希望實現低漏電性、高絕緣性、超薄透明性等問題的途徑。高k材料的使用,可以避免出現在超薄SiO₂中的隧穿導致的漏電流問題，提高薄膜晶體管的可靠性和靈敏性。為維持半導體產業繼續依摩爾定律(即尺寸縮小定律)向前發展,高k柵介質已經成為當前的一個研究熱點。

氧化鋁是一種非常理想的高k柵介質材料，具有原材料易得、儲量豐富，介電常數（6到10之間）適合，成膜性優異，透明度好（帶隙為8.9eV），絕緣性能優異（幾十納米厚度的氧化鋁即可實現較好的絕緣性能），具有多種可選制備方法等優點。目前在薄膜晶體管中應用的氧化鋁絕緣層大多需要依托真空技術來制備，最常見的制備方法為射頻磁控濺射法。這種需要大型真空設備的制備方法大大的增加了氧化鋁薄膜制備的成本，增加了大尺寸制備電子器件以及顯示設備的難度和可行性，增加了相關生產制備的能耗。因此，人們開始研究采用溶液方法制備氧化鋁薄膜，溶液法包括旋轉涂布法，噴墨打印法，熱噴涂分解法，浸漬提拉法等。

現有技術中公開了一種旋涂Al₂O₃作為柵介質層的ZnGaO和ZnGaLiO晶體管（High?mobility?and?low?operating?voltage?ZnGaO?and?ZnGaLiO?transistors?with?spin-coated?Al₂O₃?as?gate?dielectric，J.Phys.D:Appl.Phys.43（2010）442001），該現有技術中作為柵介質層的Al₂O₃薄膜制備方法如下：將水合硝酸鋁溶解在乙二醇單甲醚中形成前驅體溶液，通過旋轉涂布法將前驅體溶液形成薄膜，然后在600℃下對薄膜進行退火形成Al₂O₃薄膜。該現有技術通過旋涂的溶液法制得作為柵介質層的Al₂O₃薄膜，能夠克服射頻磁控濺射法的缺點，但是該制備方法的熱處理溫度較高，而熱處理溫度的高低直接影響到氧化鋁薄膜的應用范圍：晶體管的柵介質層是形成在基底上，為了制備透明的薄膜晶體管，基底需要采用透明的玻璃或者塑料材質，當制備柔性透明的薄膜晶體管時，則只能采用塑料材質的基底，玻璃的軟化點約500℃，塑料的軟化點約在200℃，當熱處理溫度高于500℃時，則不能選擇玻璃或者塑料基底，從而無法制備透明的薄膜晶體管；當熱處理溫度高于200℃時，則不能選擇塑料基底，從而無法制備柔性透明的薄膜晶體管。而如果采用該現有技術的制備方法直接降低熱處理溫度將使氧化鋁薄膜制品的介電常數降低，從而使制得的氧化鋁薄膜形成的柵介質層無法起到很好的絕緣性能，不能制備出高性能的薄膜晶體管。

發明內容

本發明解決的技術問題是現有技術中溶液法制備Al₂O₃薄膜的方法中熱處理溫度較高使薄膜應用受到限制、而直接降低熱處理溫度又會影響薄膜性能的問題，進而提供一種通過溶液法制備作為薄膜晶體管柵介質層的氧化鋁薄膜的方法。為了解決上述問題，本發明采用的技術方案如下：

一種氧化鋁薄膜的制備方法，包括以下步驟：

（1）制備鋁前驅體溶液

將含有鋁金屬離子的前驅體材料和穩定劑溶解于溶劑中，充分攪拌使其充分溶解，得到前驅體溶液；

（2）制備氧化鋁薄膜

將步驟（1）制備的反應溶液在涂布面上涂布成膜，經熱處理程序得到氧化鋁薄膜。

所述穩定劑為一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、檸檬酸、乙二醇單甲醚、丙二醇單甲醚、丁二醇單甲醚、乙二醇、甘油、丙二醇中的一種或幾種。

所述含有鋁金屬離子的前驅體材料選自以下材料的一種或幾種：